(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロポンプを製造する方法であって、前記マイクロポンプは膜（１１０）と駆動手段（２１０）とを有する屈曲トランスデューサを含み、前記膜（１１０）はポンプ膜を形成して、前記駆動手段によって第１の膨らんだ位置と第２の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、さらに、ポンプ本体とポンプ膜との間にポンプチャンバを規定するように前記ポンプ膜に接続されるポンプ本体（１２０）を含み、前記方法は、
膜（１１０）および駆動手段（２１０）を準備するステップ（１０１０）、および
接合後に前記駆動手段（２１０）にプレストレスが与えられるように、前記膜（１１０）への前記駆動手段の接合の間前記駆動手段に製造信号（Ｕproduction）を適用するステップ（１０２０）であって、前記製造信号が屈曲トランスデューサを動作させる動作信号と同じ種類のものであるステップ、
を含む方法によって屈曲トランスデューサ（１１０、２１０）を製造するステップを含み、
前記駆動手段が作動しないとき前記ポンプ膜は第１の膨らんだ位置で予め膨らんだ形状をとる、方法。
【請求項２】
接合が終了したあと、製造信号（Ｕproduction）は開放されるだけである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
接合は、駆動手段および膜の間に配置される接合材料によって実行され、前記接合材料が硬化されたあと、製造信号は開放されるだけである、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
接合材料は、接着剤またはハンダ付け材料である、請求項２または請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記膜への前記駆動手段の接合の間、前記膜（１１０）に前記駆動手段を押し付け、接合材料が硬化されたあと、押圧が終了されるだけである、請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記製造信号は、前記駆動手段（２１０）が接合の間収縮した状態にあるようなものである、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記製造信号は、接合の後、前記屈曲トランスデューサ（１１０、２１０）が前記駆動手段と前記膜との間の接合面と関連して前記駆動手段の方向へ予め与えられる膨らみを有する予め膨らんだ形状をとる、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記駆動手段（２１０）は圧電駆動手段であり、製造信号（Ｕproduction）は製造電圧である、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記膜（１１０）の温度係数が前記駆動手段（２１０）の温度係数より大きく、前記膜（１１０）に対する前記駆動手段（２１０）の接合は前記駆動手段が後に動作する動作温度より高い製造温度で実行されて、異なる温度係数によって生じるプレストレスが製造信号を適用することによって生じるプレストレスに加わる、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記駆動手段（２１０）は圧電駆動手段（２１０）であり、製造信号は正の製造電圧（Ｕproduction）であって、前記膜（１１０）は、金属または合成材料を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記膜（１１０）の温度係数は前記駆動手段（２１０）の温度係数より小さく、前記膜（１１０）に対する前記駆動手段（２１０）の接合は、前記駆動手段が後に動作する動作温度より高い製造温度で実行されて、異なる温度係数によって生じるプレストレスが製造信号を適用することによって生じるプレストレスを部分的に補償する、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記駆動手段は圧電駆動手段であり、製造信号は正の製造電圧（Ｕproduction）であって、前記膜は半導体物質を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記マイクロ・ポンプは、両方が前記ポンプチャンバに流体接続され、前記ポンプ膜に対向する前記ポンプ本体に配置される入口チェックバルブと出口チェックバルブとを含み、前記ポンプ本体（１２０）は基本的に平らである前記ポンプ膜（１１０）に対向して配置される第１の表面を含み、前記ポンプ膜は第２の位置において基本的に平面形状を有し、マイクロ・ポンプの圧縮比が５０以上となるように前記ポンプチャンバの死容積が前記入口チェックバルブと前記出口チェックバルブのバルブ坑の容積で本質的に規定され、前記圧縮比は前記ポンプ膜の工程容積とマイクロ・ポンプの死容積との比として規定される、請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
マイクロ・ポンプであって、
膜（１１０）および駆動手段（２１０）を含む屈曲トランスデューサを含み、前記膜は、マイクロ・ポンプのポンプ膜（１１０）を形成し、前記駆動手段（２１０）によって第１の膨らんだ位置および第２の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、
ポンプ本体と前記ポンプ膜との間にポンプチャンバを規定するために前記ポンプ膜（１１０）に接合されるポンプ本体（１２０）を含み、
前記駆動手段が動作しないときに、前記ポンプ膜（１１０）が第１の膨らんだ位置における予め膨らんだ形状をとり、前記屈曲トランスデューサが、
膜（１１０）および駆動手段（２１０）を準備するステップ（１０１０）、および
接合後に前記駆動手段にプレストレスが与えられるように、前記膜（１１０）への前記駆動手段の接合の間前記駆動手段（２１０）に製造信号（Ｕproduction）を適用するステップ（１０２０）であって、前記製造信号が屈曲トランスデューサを動作させる動作信号と同じ種類のものであるステップ、
を含む方法で製造される、マイクロ・ポンプ。
【請求項１５】
前記マイクロ・ポンプは、両方がポンプチャンバに流体接続し、ポンプ本体において前記ポンプ膜に対向するように配置された入口チェックバルブおよび出口チェックバルブを含む、請求項１４に記載のマイクロ・ポンプ。
【請求項１６】
前記ポンプ本体（１２０）は、基本的に平らであるポンプ膜（１１０）に対向して配置される第１の表面を含み、前記ポンプ膜は第２の位置において基本的に平面形状を有する、請求項１４または請求項１５に記載のマイクロ・ポンプ。
【請求項１７】
前記マイクロ・ポンプは、両方が前記ポンプチャンバに流体接続され、前記ポンプ膜に対向する前記ポンプ本体に配置される入口チェックバルブと出口チェックバルブとを含み、前記ポンプ本体（１２０）は基本的に平らである前記ポンプ膜（１１０）に対向して配置される第１の表面を含み、前記ポンプ膜は第２の位置において基本的に平面形状を有し、マイクロ・ポンプの圧縮比が５０以上となるように前記ポンプチャンバの死容積が前記入口チェックバルブと前記出口チェックバルブのバルブ坑の容積で本質的に規定され、前記圧縮比は前記ポンプ膜の工程容積とマイクロ・ポンプの死容積との比として規定される、請求項１４に記載のマイクロ・ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈曲トランスデューサ、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブの製造方法、およびこの方法によって製造される屈曲トランスデューサを含むマイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の発明によれば、多数の異なるマイクロ膜ポンプが存在し、使用される駆動概念は電磁的、熱的および圧電的な駆動原理である。しかしながら、市場において利用可能なマイクロ膜ポンプのほぼ全ては、圧電駆動原理によって駆動されている。
【０００３】
マイクロ・ポンプの圧縮比は、ガスが送り出される媒体であるとき、マイクロ・ポンプの泡許容度および逆圧能力を定める重要なパラメータである。流体ポンプに関して、ガスの泡がいつでもポンプチャンバに入り込む可能性があり、流体ポンプに対する逆圧能力は、実際には、（大きい動作隔膜力および低いバルブの漏れに加えて）圧縮比によっても規定される。圧縮比は、１回のブローまたはサイクルにおけるポンプ膜によって変位する容積、いわゆる行程容積と、死容積、すなわちポンプ膜がポンプチャンバに含まれる媒体をポンプチャンバ外に送り出した時に残っている最小の容積との間の比と定義される。死容積は、最大ポンプチャンバ容積と行程容積との間の容積の差ということができる。周知のマイクロ・ポンプの圧縮比は比較的小さく、０．１〜１の範囲内にある。
【０００４】
例えば、特許出願公開ＥＰ０４２４０８７Ａ１は、電圧信号によって第１および第２の方向に、すなわち上下方向に変形可能な圧電手段を有し、それによって、液体をマイクロ・ポンプの液体貯留室に引き込み、あるいは液体貯留室から送り出すマイクロ・ポンプを開示している。しかしながら、ＥＰ０４２４０８７Ａ１に記載されているマイクロ・ポンプは、それらがかなり大きい死容積を含み、または上方へのストロークが小さく、小さい行程容積が得られるだけであるという点で不利である。
【０００５】
さらに、圧電的に駆動されるマイクロ・膜ポンプの圧縮比は、通常、以下の境界条件によって規定される。正電圧を圧電膜トランスデューサに印加すると、膜トランスデューサは下方に偏向することができるだけである。また、上方への偏向は、負の電圧を印加することによって可能なだけであり、圧電セラミックが消極されないように、下方へのストロークのわずか約２０％が達成可能なだけである。膜の動きを下方への運動に制限すると、死容積を減らして、圧縮比を上げることは困難である。したがって、従来のマイクロ・ポンプに対して、例えば米国特許出願公開ＵＳ２００５／０１２３４２０Ａ１のマイクロ膜ポンプおよび米国特許明細書ＵＳ６，２６１，０６６Ｂ１の蠕動マイクロ・ポンプを見ると、圧電手段が一方向へ移動するだけであり、および／またはその輪郭を膜の曲げラインに適応させて死容積を減らし、圧縮比を最大にするようにポンプチャンバが形成されている。ポンプ膜の曲げラインへのこの適応は、生産技術に関して手間がかかって費用がかかり、さらに、例えば接着工程におけるポンプ膜の歪みなどのために、ポンプ膜は完全に対称に偏向しないため、曲げラインへの完全な適応は通常不可能であり、それにより、ポンプチャンバ内に圧縮比を減少させる隙間が残る。さらに、隔膜の端部が固定される場合、標準アクチュエータの行程容積は境界条件によって制限される。最後に、シリコンを用いて、この調整はいくつかのステップでウェーハにエッチングすることによって部分的に成し遂げられることができるだけであり、それによって高い効果が生じる。
【０００６】
米国特許明細書ＵＳ５，７５９，０１４は、ガラスベース板上に配置されるシリコン・ポンプ膜、およびポンプ膜の両側において互いに対向するように配置された入口バルブおよび出口バルブを有するマイクロ・ポンプを開示している。ポンプ膜は、休止位置において上方へ膨らんだ形状を有する。圧電素子は、膜の表面に固着される。圧電素子が駆動されると、膜は下方へ変位する。膜の膨らんだ形状は、密閉された膜の上に位置するチャンバを真空下におくことにより、または、プレストレスで適切な変形を有する酸化被膜をその上側表面に適用することによって得ることができる。ポンプチャンバと入口弁および出口弁との間に接続スペースによって生じる死容積がまだかなり高いという点で、ＵＳ５，７５９，０１４によるマイクロ・ポンプは不利であり、膜の達成可能な膨らみの高さは制限され（したがって、限られた圧縮比を促進しているだけである）、膜の付着または吸着を防止するために、膜の下面上の酸化ケイ素のかなりの量の円領域を必要とする。さらに、バルブの横方向の配置は著しくポンプチャンバの流動抵抗を増加させ、それによって、行程容積は最大のポンプ速度を制限する非常に低いポンプ周波数で運搬するだけである。酸化被膜または吸引による座屈の他の不利な点は、圧電が正の電圧によって作動する場合、ダイアフラムは完全に平坦な位置へ移動することができないという事実である。このように、ダイアフラムの境界における死容積は残る。
【０００７】
米国特許出願公開ＵＳ２００９／０１５８９２３Ａ１は、２つの金属層のレーザ溶接によって実現されるポンプダイヤフラムのプレストレスを記載している。この適用は、（明らかに、溶接プロセスの熱衝撃のため）ダイアフラムおよびポンプチャンバのプレストレスが実現され得ることを示している。しかしながら、また、（ＵＳ５，７５９，０１４における酸化被膜による死容積よりさらに大きい）大きい死容積が、圧電の作動の後にダイアフラムの境界に残る。
【０００８】
事実、図８に示すように、レーザ溶接によって作動膜をポンプチャンバに接続することは膜の避けられない座屈を引き起こし、それは最小化された死容積に関して最適化されない。図８は、ポンプ本体８１０と、ポンプ膜の境界でレーザ溶接によってポンプ本体に接合された膜８２０を有するマイクロ・ポンプの２つの略図を示す。図８の上図はプレストレスが与えられた非作動状態のポンプ膜８２０を示し、図８の下図はポンプ膜の上に配置される圧電素子８３０によって下方に曲げられる同じ膜８２０を示す。図８の下図から分かるように、膜８２０は完全に平坦ではなく、膜の縁部の膨らみ８４０によって示される容積のため増加した死容積の原因となるポンプ膜の縁部の膨らみまたは偏向８４０が示される。
【０００９】
米国特許出願公開２００４／００３６０４７Ａ１および米国特許出願公開２００６／００２７７７２Ａ１は、常閉バルブを開示している。２つのシリコンチップの積層によって形成され、下側のシリコンチップはバルブの入口および出口を含み、下側のチップの上に配置される上側のチップは、バルブチャンバの凹部、バルブリップおよび下側のチップに向かう側のタペット、および膜を規定するための下側のチップから離れて面している上側のチップの反対側の凹部を含み、タペットより上の膜に、バルブを開くために下側のチップに形成されたバルブシャッターを下方に動かすように、圧電駆動が配置される。閉鎖状態において、すなわち圧電性セラミックが作動していないとき、バルブリップは流体的にバルブ入口をバルブチャンバから切り離す。圧電セラミックが作動している場合、圧電セラミックはタペットを介して膜に接続されているバルブシャッターを下方に移動させる。この場合、バルブリップはもうタペットに当接せず、バルブは開いている。バルブの製造の後、膜が時々下方に向かって偏る傾向があることが認められている。下方に向かうこれらの偏向が大きいものである場合、バルブは常閉バルブの密度要件を満たさないかもしれず、または膜への逆方向のわずかな圧力で開くかもしれない。バルブの非作動状態のこの種の望まれていない流れは、不利で、医療技術または燃料電池の分野において危機的でさえありえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許出願公開ＥＰ０４２４０８７Ａ１
【特許文献２】米国特許出願公開ＵＳ２００５／０１２３４２０Ａ１
【特許文献３】米国特許明細書ＵＳ６，２６１，０６６Ｂ１
【特許文献４】米国特許明細書ＵＳ５，７５９，０１４
【特許文献５】米国特許出願公開ＵＳ２００９／０１５８９２３Ａ１
【特許文献６】米国特許出願公開２００４／００３６０４７Ａ１
【特許文献７】米国特許出願公開２００６／００２７７７２Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、先行技術の１つまたは全ての上述の不利な点を除去することができる屈曲トランスデューサを製造する方法を提供することである。本発明の更なる目的は、高い圧縮比を提供することができ、容易に製品を設計することができるマイクロ・ポンプを提供することである。本発明のさらに別の目的は、信頼性が高い密度特性を有するマイクロ・バルブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的は、請求項１に記載の屈曲トランスデューサ、請求項１３に記載のマイクロ・ポンプを製造する方法、請求項１４に記載のマイクロ・バルブを製造する方法、請求項１７に記載のマイクロ・ポンプおよび請求項２０に記載のマイクロ・バルブによって達成される。
【００１３】
本発明の実施例は、駆動手段および膜を含む屈曲トランスデューサを製造する方法を提供し、この方法は、膜および駆動手段を準備するステップと、接合後に駆動手段にプレストレスが与えられるように、膜に駆動手段を接合している間、屈曲トランスデューサを動作させるための動作信号と同じ種類の製造信号を駆動手段に適用するステップを含む。
【００１４】
屈曲トランスデューサの実施例は、膜と、膜に結合される駆動手段とを含み、駆動手段は、駆動手段の主面で屈曲可能または偏向可能な膜に接合され、駆動手段に適用される作動または動作信号を駆動手段が膜に接合される主面に垂直な屈曲トランスデューサの動きに変換する。換言すれば、駆動信号は、駆動手段が膜に結合される主面に関して垂直の動き（また、垂直範囲または方向と呼ばれる）に変換される、駆動手段が膜に接合される主面に平行な（また、水平範囲または方向と呼ばれる）駆動手段の寸法変化（収縮または抽出）を達成する。変換の程度は、駆動手段のｄ３１係数によって規定される。製造法のため、これらの屈曲トランスデューサには、プレストレスが与えられるか、予め膨らみが与えられる。この種のプレストレスが与えられた屈曲トランスデューサは、上述した課題を解決するために、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブに用いられることができる。
【００１５】
駆動手段は、例えば、特定の作動信号または入力が駆動手段に与えたられたときに、その体積または少なくとも一つの次元を変えるのに適した圧電駆動手段または他のいかなる駆動手段でもありえる。圧電駆動手段の場合、製造信号および動作信号は、圧電駆動手段に印加される電圧である。正の電圧が印加された場合、圧電駆動手段は収縮し、駆動手段と膜との間の接合面に対して膜の向きに膜を動かす。
【００１６】
駆動手段の別の実施例は、例えば、磁気拘束性の駆動手段、または磁界が磁気拘束性の駆動手段に与えられた場合にその体積を変える磁気拘束性の材料から成る駆動手段である。この場合、製造信号および動作信号（後の通常運転の間、駆動手段に与えられる信号）は電磁界である。
【００１７】
上述の実施例から明らかになるように、製造信号および動作信号は同じ種類の信号（圧電駆動手段、磁気拘束性の駆動手段のための磁界のための電圧）である。
【００１８】
製造信号の大きさ（圧電駆動手段のための製造信号および動作信号の電圧レベル、磁気拘束性の駆動手段のための磁界の強さ）は、製造信号および駆動信号に関して同じものとすることができ、または、異なったものとすることができる。
【００１９】
製造信号の極性または方向（圧電駆動手段のための電圧の極性、磁気拘束性の駆動手段のための磁界の方向）は、製造信号および駆動信号に関して同じにすることができ、または、異なったもの、例えば逆向きとすることができる。
【００２０】
製造信号および動作信号の極性が同じである場合、発明の方法によって達成される（膜および／または駆動手段の）屈曲トランスデューサの予め与えられる膨らみは、駆動手段が動作したときに膜または屈曲トランスデューサの対応するストロークと同様である。
【００２１】
特定の実施例において、アプリケーションに応じて、製造信号は、製造信号と同じ極性を有し、製造信号の大きさが製造信号と同じ大きさをもち、または、より小さいあるいはより大きい大きさを有する。
【００２２】
本発明の別の実施例は、マイクロ・ポンプを製造する方法を提供し、マイクロ・ポンプは膜および屈曲トランスデューサおよび駆動手段を含み、膜は、ポンプ膜を形成して、駆動手段によって第１の膨らんだ位置と第２の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、ポンプ本体はポンプ膜に接続されて、ポンプ本体とポンプ膜との間にポンプチャンバを設定し、この方法は、駆動手段が作動しないときに、ポンプ膜が第１の膨らんだ位置において第１の予め膨らんだ形状をとるように、発明の方法によって屈曲トランスデューサを製造するステップを含む。
【００２３】
本発明のさらに別の実施例は、マイクロ・バルブを製造する方法を提供し、マイクロ・バルブは膜および駆動手段を有する屈曲トランスデューサを含み、膜は、バルブ膜を形成して、マイクロ・バルブを開閉するために駆動手段によって第１の位置と第２の位置との間で移動するように構成され、この方法は、発明の方法によって屈曲トランスデューサを製造するステップを含む。
【００２４】
この実施例は、マイクロ・ポンプを提供し、このマイクロ・ポンプは、膜および駆動手段を含む屈曲トランスデューサを含み、膜は、マイクロ・ポンプのポンプ膜を形成して、駆動手段によって第１の膨らんだ位置と第２の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、ポンプ本体とポンプ膜との間にポンプチャンバを設定するためにポンプ本体がポンプ膜に接続され、駆動手段が作動しないときにポンプ膜は第１の膨らんだ位置において予め膨らんだ形状をとり、屈曲トランスデューサは発明の方法によって製造される。
【００２５】
さらに、実施例はマイクロ・バルブを提供し、このマイクロ・バルブは膜および駆動手段を含む屈曲トランスデューサを含み、膜は、バルブ膜を形成して、マイクロ・バルブを開閉するために駆動手段によって第１の位置と第２の位置との間で移動するように構成され、屈曲トランスデューサは発明の方法によって製造される。
【００２６】
本発明の実施例は、図８に示されるマイクロ・ポンプの膨らみ８４０および対応する死容積が、プレストレスが与えられたダイアフラムまたは膜の屈曲形状が必ずしも圧電アクチュエータの対応するストロークと同様ではないという事実によって生じることを発見したことに基づく。換言すれば、製造中（例えば酸化被膜またはレーザ溶接）にプレストレスが与えられることによるプレストレスが与えられた膜の偏向は、マイクロ・ポンプの駆動の間、圧電動作主体によって生じる膜の偏向と異なる。
【００２７】
本発明の実施例は、予め膨らんだ方法をポンプ膜に提供することによって圧縮比を最大にすることができ、それは圧電膜の動きに、または、一般的に、動作膜の動きに適している。このように、膨らみ８４０および対応する死容積は、回避されることができるかまたは少なくとも減らされることができる。ポンプ膜に接合される駆動手段によって生じるポンプ膜の動きに適しているポンプ膜に予め与えられた膨らみを達成するために、方法の実施例は、駆動手段が作動しないときにポンプ膜が予め膨らんだ形状をとるように、ポンプ膜に駆動手段を接合するステップを含む。駆動手段が作動すると、それに対応して、膜は第２の膨らみの少ない位置をとり、非作動状態の駆動手段によって生じるポンプ膜の緊張または応力は低減される。予め膨らんだポンプ膜を製造する方法の実施例において、両方とも平面形状を有するときに、駆動手段は、例えば、ポンプ膜に接合されることができる。ポンプ膜に駆動手段を接合するときに、横方向に駆動手段を収縮させるための異なる温度係数および／または製造信号の適用により、駆動手段が作動しないときに、駆動手段とポンプ膜は第１の膨らんだ位置において上方の予め膨らんだ形状をとる。駆動手段の作動は（ポンプ膜の緊張を減らすと同時に）駆動手段を再び収縮させ、膜の下方への偏向は予め膨らんだ状態とは逆の偏向を示し、駆動手段を駆動するかまたは作動させるための駆動信号が十分に強い場合、駆動手段は縁部において膨らみがないか無視できるように平坦なあるいは最小の基本的に平坦な形状をとる。
【００２８】
換言すれば、駆動手段の作動によって生じる膜の変形は、予め与えられた膨らみとは逆の効果および変形を示し、したがって、ポンプ膜の縁部で、少なくとも膨らみまたは偏向８４０を低減する。
【００２９】
さらに換言すれば、本発明の実施例は、マイクロ・ポンプを提供し、予め膨らんだポンプ膜の屈曲形状は駆動手段の作動によって生じる変形に適合しており、それにより、ポンプ膜が第２の膨らみの少ないまたは平坦な位置にあり、逆圧が与えられないときに、ポンプ本体に向かっているポンプ膜は平面基本形状を有する。「平面基本形状」という用語は、ポンプチャンバ床が平面または空洞を有する平面である場合にポンプ膜が平面形状を有し、ポンプチャンバ床またはポンプ膜がポンプチャンバ床に分布する付着防止手段としての突起を含む場合、ポンプ膜はポンプチャンバ床の縁部でわずかに膨らみ、外側の付着防止手段がそこからポンプチャンバの中央部に向かって配置され、付着防止用の突起によってもたらされる平面形状はその剛性による。
【００３０】
マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例によれば、駆動手段、例えば圧電駆動手段は、縮小した状態、すなわち所定の製造信号または電圧が駆動手段に収縮をもたらすために駆動手段に与えられた状態でポンプ膜に接合され、その後、信号電圧が開放される。信号または電圧の開放により、駆動手段は復元され、ポンプチャンバから上方に離れて、駆動手段と共に膜を屈曲させる。
【００３１】
マイクロ・ポンプを製造する方法の他の実施例によれば、ポンプ膜および駆動手段、例えば圧電駆動手段は所定の製造温度に更に加熱され、この製造温度で互いに接合され、その後、例えば通常の外界温度に冷却される。駆動手段およびポンプ膜の異なる熱膨張係数のため、屈曲トランスデューサには、付加的な方法でプレストレスが与えられる。
【００３２】
一方、この効果は、例えば、ポンプまたはバルブ膜に更に増加した予め膨らんだ高さを提供するために用いることができる増加したプレストレス特性を有する屈曲トランスデューサを製造するために用いることができる。
【００３３】
その一方で、駆動手段とポンプ膜との異なる温度膨張係数が通常下方（駆動手段からポンプ膜に向かう方向）への予め膨らんだ形状につながる場合、製造信号を開放することによって達成される第１の向きにおけるポンプ膜に予め与えられた膨らみが、駆動手段およびポンプ膜が例えば通常のまたは環境の温度に冷却されることによって達成される第１の向きと対向する第２の向きにおけるポンプ膜に予め与えられる膨らみとの釣り合い以上となるように、製造信号は適用されることができる。
【００３４】
この第２の態様は、圧電セラミックまたは他の圧電駆動手段より典型的に低い熱膨張係数を有し、下方へ予め不必要に膨らむ半導体膜にとって有利である。圧電駆動手段を収縮させる製造信号を圧電駆動手段に適用することによって、予め下方に与えられる膨らみは釣り合い以上にすることができ、（ポンプ膜から圧電駆動手段に向かって）予め上方に与えられる膨らみが達成されることができる。
【００３５】
このように、米国特許出願公開２００４／００３６０４７Ａ１および米国特許出願公開２００６／００２７７７２Ａ１にて説明されている常閉バルブは、圧電駆動手段およびシリコン膜によって形成される屈曲トランスデューサにプレストレスを与えることにより非作動状態においてより確実に閉じるか密閉することができる。
【００３６】
マイクロ・ポンプに関して、マイクロ・ポンプの圧縮比ｃは、行程容積ΔＶおよび死容積Ｖ0の比、すなわちｃ＝ΔＶ／Ｖ0によって定義される。したがって、２つの計測は、主として圧縮比を上昇させるために最初に考慮されることができる。第１に、行程容積ΔＶを増加させ、第２に死容積Ｖ0を減らす。本発明の実施例は、両方の計測に対処し、圧縮比を上昇させることができる。
【００３７】
膜に対向して下方にありポンプ本体の中にある入力および出力チェックバルブの配置は、高い行程容積を達成して、同時に死容積を低減することができる。さらに、ポンプ膜に予め与えられる膨らみは、一方向へ（例えば、下方だけに）駆動手段および特に圧電駆動手段を使用するかまたは作動させることを必要とするだけであり、駆動手段の複雑さを低減して、圧電駆動手段の場合には減極の危険度を低減する。
【００３８】
ポンプチャンバ床を形成しているポンプ本体の上側表面の形状および第２の膨らみの少ない位置におけるポンプ膜の形状に応じて、マイクロ・ポンプの死容積は低減されることができる。したがって、マイクロ・ポンプの実施例は、例えば、ポンプ膜およびポンプチャンバ床の間に配置されるスペーサ手段またはスペーサ構造体を含まず、少なくとも基本的に平らなポンプチャンバ床を含み、ポンプ膜が第２の、すなわち基本的に平らな位置にあるときに、ポンプ膜の形状およびポンプチャンバ床の形状は一致し、ポンプチャンバの死容積がバルブ坑の死容積によって基本的に定義されるだけであるマイクロ・バルブを提供する。
【００３９】
マイクロ・ポンプの実施例は、完全に平らなポンプ本体を含むことができ、（ポンプチャンバ床を定めているポンプ本体の一部だけではなく）全てのポンプ本体は、基本的に平面（例えば、バルブ坑以外の平面）である。シリコンまたはその他半導体物質、金属または高分子材料がポンプ本体に使用されているかどうかとは無関係に、および／または入力および出力チェックバルブがどのように製造され一体化されているかとは無関係に、この種の完全に平らな表面またはポンプ本体は容易に製造される。このように、この種の実施例は、生産工学の複雑さも減らすことができる。
【００４０】
入口および出口チェックバルブの死容積および／または入口および出口チェックバルブのバルブ坑は、−ポンプ膜に対向する入口および出口チェックバルブの配置のため−付着効果を低減して、ポンプチャンバ床からのポンプ膜のより簡単な移動および対応する上方へのポンプ膜の動きを可能にする。さらに、マイクロ・ポンプの実施例は、付着効果を減少させ、および／または流動抵抗を減少させるために、ポンプ膜の中心領域に対向して配置される入口および／または出口チェックバルブを含む。
【００４１】
更なる実施例において、ポンプ膜が第２の位置に移動して、平らな形状をとるとき、例えば、ポンプチャンバに向かって面しているバルブ側のバルブ構造におけるバルブ坑および／または窪みを除いて、ポンプ膜がポンプチャンバ床を形成している上側表面に接するように、ポンプ膜は、ポンプ膜の上側表面に直接接合される。この文脈において、「直接接合」は、例えば接着剤などの接合材料を用いて、あるいは接合材料を用いないで（すなわち、結合材料なし）、例えば超音波溶接、レーザ溶接などを用いて、ポンプ膜がポンプ本体に接続されることができることであると理解されるが、ポンプ膜とポンプ本体との間に間隔層または成分がないと、ポンプ膜が第２の平らな位置にあるときに、ポンプ膜とポンプ本体との間のギャップの原因となる。
【００４２】
したがって、本発明の実施例は、自給動作を有するマイクロ・ポンプを提供し、ガスのような圧縮性の媒体を運搬することに適していて、泡に対する耐性があり、泡とは無関係である。
【００４３】
泡がポンプチャンバに入ったときにマイクロ・ポンプがまだ動いているようにそれらが構成されるとき、マイクロ・ポンプは泡に対する耐性があると考えられ、泡（または泡の一部）はポンプチャンバによって運搬される。しかしながら、ポンプチャンバに気泡（またはそれらの部分）が存在する間、ポンプ速度は変化することができる。
【００４４】
泡がポンプチャンバに入ったときに、マイクロ・ポンプがまだ動いているだけでなく、ポンプ速度がポンプチャンバ内の泡の存在と無関係であるように構成されている場合、マイクロ・ポンプは泡に対して独立しているものと考えられる。
【００４５】
本発明による膜に予め膨らみを与える方法は、予め与えられた膨らみの特に高い範囲、例えば、ポンプチャンバの横方向の拡張に関して、すなわちポンプチャンバの直径に関して、予め膨らんだ部分の高さを実行することができ、高いポンプチャンバ容量Ｖmaxだけでなく、特に、高い行程容積ΔＶおよび最終的に高い圧縮比ｃを促進する。
【００４６】
さらに、方法の実施例は、付加的な処理ステップ、例えば付加的な酸化被膜の形成を必要とせずに、予め膨らんだポンプ膜またはバルブ−または一般的にプレストレス膜−を製造または生産することができる。
実施例は、添付の図面を参照して、後に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】図１Ａは、屈曲トランスデューサを製造する方法の実施例を示すフロー図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、マイクロ・ポンプの実施例を示し、ポンプ膜自体は第１の予め膨らんだ位置または状態（非動作、または、休止状態）ある。
【図１Ｃ】図１Ｃは、第２の動作位置または状態における図１Ｂのマイクロ・ポンプの実施例を示し、ポンプ膜は平面形状をとってポンプチャンバ床に当接する。
【図１Ｄ】図１Ｄは、第２のより膨らみの少ない形状、ここでは平面形状から第１の膨らんだ形状に移るときのポンプ膜の中間の形状を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、（第１の非動作または休止状態において）ポンプ膜の上面に配置される圧電駆動手段を有するマイクロ・ポンプの実施例を示す横断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第２の動作した状態の図２Ａにおけるマイクロ・ポンプを示す断面図解図である。
【図３Ａ】図３Ａは、マイクロ・ポンプを製造する方法を説明する断面図解図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、マイクロ・ポンプを製造する方法を説明する断面図解図である。
【図４Ａ】図４Ａは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図４Ａ〜４Ｆに基づいて記載されている方法に従って製造されるマイクロ・ポンプの非作動状態を示す断面図解図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４Ａ〜４Ｆに基づいて記載されている方法に従って製造されるマイクロ・ポンプの作動状態を示す断面図解図である。
【図６】図６は、異なる膨らみ効果または膨らむ原因に対するポンプ膜の中央部からポンプ膜の縁部までの標準化された屈曲ライン（半分のポンプ膜）を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、製造電圧を印加することなく８０℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部からポンプ膜の縁部までのポンプ膜の屈曲ラインを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、７３．６Ｖの製造電圧を印加して８０℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部からポンプ膜の縁部までのポンプ膜の屈曲ラインを示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、７３．６Ｖの製造電圧を印加して８０℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部から縁部までのポンプ膜の屈曲ラインを示す図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、１７８Ｖの製造電圧を印加して８０℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部から縁部までのポンプ膜の異なる屈曲ラインを示す図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。
【図７Ｆ】図７Ｆは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。
【図７ＦＦ】図７ＦＦは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。
【図７Ｇ】図７Ｇは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。
【図７Ｈ】図７Ｈは、予め膨らんだバルブ膜を有する常開バルブの第１実施例を示す図である。
【図７Ｉ】図７Ｉは、予め膨らんだバルブ膜を有する常開バルブの第２実施例を示す図解図である。
【図８】図８は、非作動および作動した状態の従来のプレストレスが与えられた膜を有するマイクロ・ポンプを示す図解図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
同じおよび／または等価な要素は、以下の図の説明において、同じまたは等価な参照番号によって示される。
【００４９】
図１Ａは、駆動手段および膜を含む屈曲トランスデューサを製造する方法の実施例のフロー図を示す。ステップ１０１０において、膜および駆動手段が準備される。ステップ１０２０において、接合後に駆動手段にプレストレスが与えられるように、膜に駆動手段を接合している間、屈曲トランスデューサを動作させるための動作信号と同じ種類の信号が駆動手段に適用される。換言すれば、製造信号は、屈曲トランスデューサの通常の駆動の間、屈曲トランスデューサおよび膜を曲げるかまたは偏向させるために駆動手段に適用される動作信号と同じ種類の信号である。
【００５０】
製造信号は、好ましくは、結合が終了した後に開放されるか、または全ての接合プロセスの間適用される。
【００５１】
接合自体は、いかなる好適な接合技術によっても実施されることができる。膜への駆動手段の接合は、接合材料なしでまたは接合材料を用いて、例えば接着剤による接着によって、または液状の半田を用いた半田付けによって、実行されることができる。特定の接合材料とは無関係に、接合は駆動手段および膜の間に配置される接合材料によって実行され、接合材料が硬化した後、好ましくは完全に硬化された後に製造信号は開放されるだけである。電圧が早く、例えば接合材料が完全に硬化する前に開放された場合、駆動手段はそのサイズを変え、それにより、駆動手段の接合の後、プレストレスが与えられる範囲を減少させる。
【００５２】
前述したように、駆動手段が膜に接合される駆動手段の表面と平行する範囲の変更におけるトランスデューサの接合の場合、製造信号の適用は駆動手段のサイズの変化につながる。変化は、収縮か復元のどちらかでありえる。圧電アクチュエータは、例えば正の電圧が印加されると縮み、負の電圧が印加されるとある程度拡大する。したがって、実施例は、圧電アクチュエータを収縮した状態にセットして、接合が終了するまで圧電アクチュエータを収縮した状態に保つために、正の製造電圧を圧電アクチュエータに印加する。接合合の後、および、正の製造電圧を開放した後に、圧電アクチュエータは、作動していないときの通常のサイズまたは範囲に復元するか拡張しようとするが、圧電アクチュエータは、現在の寸法を、横方向寸法すなわち膜を有する圧電駆動手段の接触面に平行な寸法に保とうとしている膜に対する全主面を覆うように接合されている。したがって、圧電駆動手段、膜、または一般に屈曲トランスデューサには、プレストレスが与えられている。
【００５３】
圧電アクチュエータおよび膜が、いかなる外周部にも機械的に接続されていないか、または外周部に縁部でのみ接続されている場合、例えばマイクロ・ポンプまたはマイクロ・バルブの場合、製造電圧の開放は、圧電アクチュエータが拡大するという結果をもたらすが、膜に結合されない場合に拡張する通常のサイズではない。一方では、圧電アクチュエータのために膜も拡張される。このように、圧電アクチュエータがその通常の寸法と比較して予め圧縮されるという点で、圧電性アクチュエータにはプレストレスが与えられるが、その通常の寸法と比較して予め引き伸ばされるという点で、膜にはプレストレスが与えられる。同時に、駆動手段および膜は、圧電アクチュエータに向かう方向にプレストレスが与えられているため、予め膨らんでいる。
【００５４】
圧電アクチュエータおよび膜がそれらの縁部で固定されるだけでなく、例えば、それらの中心（例えば米国特許出願公開ＵＳ２００４／００３６０４７Ａ１、米国特許出願公開ＵＳ２００６／００２７７７２Ａ１および図７Ｅ〜７Ｇによる常閉弁を参照）でも固定されている場合、膜および圧電アクチュエータは圧電アクチュエータに向かう方向に屈曲できないが、プレストレスが与えられ、圧電アクチュエータに向かう方向にプレストレスが与えられるものと思われる（圧電アクチュエータが圧縮されて、例えば、他の製造パラメータのため下方へ不必要に予め膨らむことを防止するという点で、プレストレスが与えられる）。
【００５５】
同様の考察は、屈曲トランスデューサを利用できる他のいかなる駆動手段にもあてはまる。
【００５６】
膜に駆動手段を接合するための接着剤を使用する実施例において、接着剤は、しばしば通常の周辺温度より高い特定の所定の製造温度を必要とする。このように、駆動手段と膜との異なる温度係数によって、それが製造信号によって生じるプレストレスに重ねて付加的にプレストレスが生じることがありえる。製造信号によるプレストレスおよび異なる温度膨張係数によるプレストレスが同じ種類（例えば、両方が接合後の駆動手段の圧縮につながるか、両方が接合後の駆動手段に与えられる拡張につながる）である場合、プレストレスが付加され、製造信号によるプレストレスおよび異なる温度膨張係数によるプレストレスが異なる、例えば、逆であるか逆の種類（例えば、製造信号を適用することによるプレストレスが圧縮を引き起こし、異なる温度係数によるプレストレスが予め与えられる拡張を引き起こし、その逆も同様である）である場合、プレストレスは少なくとも部分的に互いに補償することができる。
【００５７】
駆動手段および膜の異なる温度膨張係数によるプレストレスが、プレストレスの増加とそれによって例えばより高く予め与えられた膨らみおよびストロークを達成することに用いられるか、または、異なる温度係数によって不必要な方向に不必要な予め与えられる膨らみが少なくとも部分的に補償され、完全に補償され、または過度に補償されて、必要な範囲および方向に予め与えられる膨らみおよびストロークを達成するようなレベルおよび極性に製造信号を設定するために用いられるというのが、本発明のさらなる発見である。
【００５８】
実施例において、膜（例えば金属）の温度係数は駆動手段（例えば圧電セラミック）の温度係数より大きく、製造信号は駆動手段が接合中収縮した状態にあるようなものである。この場合、両方の効果によるプレストレスは、同じ種類のもの（駆動手段の圧縮）であって、達成可能なプレストレス（予め与えられた圧縮）を増加させ、膜および／または駆動手段の機械的な固定に応じて、達成可能な予め与えられた膨らみの高さを増加させる。
【００５９】
更なる実施例において、膜（例えば、シリコン）の温度膨張係数は駆動手段（例えば、圧電駆動手段）の温度膨張係数より小さく、製造信号は駆動手段が接合中収縮した状態にあるようなものであり、異なる温度膨張係数によるプレストレスは、製造信号によるプレストレスによって補償されるより大きい。
【００６０】
別の実施例は、膜に駆動手段を結合するためにレーザー・ボンディングまたは他の接合技術を使用することができ、上述のように、屈曲アクチュエータのプレストレスを達成して、潜在的に予め与えられる膨らみを得るために、接合中に製造信号を適用することができる。
【００６１】
既存の接合プロセスおよび技術を用いることができるので、製造のための方法の実施例は容易に実施されることができる。膜に駆動手段を接合するステップの間製造信号を駆動手段に適用するための手段だけは、予測されなければならない。製造信号が駆動手段に適用される方法は動作信号が適用されるのと同様にすることができるため、これは更に容易に行うことができる。圧電アクチュエータのために、例えば、（分野の後期における）通常運転の間、動作信号を圧電アクチュエータに適用するために使用されるのと同じ電気的接続が、製造または生産の間、製造信号を適用するために用いられることができる。
【００６２】
以下に、屈曲トランスデューサの実施例を含むマイクロ・ポンプの実施例が記載されており、屈曲トランスデューサの膜はポンプ膜を形成する。
【００６３】
図１Ｂおよび図１Ｃは、ポンプ膜１１０、ポンプ本体１２０および受動的な入口チェックバルブ１３０および受動的な出口チェックバルブ１４０を含むマイクロ・ポンプの実施例の断面図解図を示す。図１Ｂは、第１の膨らんだ位置の第１実施例の断面図を示す。図１Ｃは、第２のより膨らみの少ない位置のマイクロ・ポンプの実施例を示す。図１Ｂにおいて、第１の膨らんだ位置から第２のより膨らみの少ない位置までポンプ膜を駆動するのに適している駆動手段は作動していない。したがって、駆動手段（また、ドライバまたはアクチュエータ；図１Ｂにおいて示していない）は、非作動状態、非活性状態、非アクティブ状態または休止状態とも呼ばれ、マイクロ・ポンプおよびポンプ膜のこの位置または状態も、非作動、非活性、非アクティブまたは休止位置または状態と呼ばれることができる。図１Ｃにおいて、駆動手段（図１Ｃに示されていない）は、活性化するかまたは作動して、ポンプ膜１１０を第２の位置に移動している。したがって、駆動手段、ポンプ膜およびマイクロ・ポンプに関して、この状態または位置は、活性または作動した状態または位置と呼ばれることができる。
【００６４】
ポンプ膜１１０は、第１または上の表面１１２、および第１の表面１１２の反対側に配置される第２または下の表面１１４を有する。ポンプ本体１２０は、第１または上の表面１２２、および第１の表面１２２の反対側に配置される第２または下の表面１２４を含む。ポンプ膜１１０は、その周囲においてポンプ本体１２０に接続され、ポンプチャンバ１０２は、ポンプ膜１１０およびポンプ本体１２０間のスペースまたは容量として定義される。ポンプ本体１２０は、第１のバルブ１３０および第２のバルブ１４０が配置されるという点で、入口１２６および出口１２８（ポンプ入口／ポンプ出口）およびポンプ本体の上側、すなわちポンプ膜１１０に面した側面における空洞を含む。第１のバルブ１３０および第２のバルブ１４０は、ポンプチャンバ１０２に流体接続、例えば直接の流体接続を備えている。
【００６５】
図１Ｂは、マイクロ・ポンプ１００の実施例を示し、入口チェックバルブ１３０および出口チェックバルブ１４０は、２つの半導体チップ１５０および１６０の積み重ね１７０として設けられ、二重バルブ構造１７０の上の半導体層またはチップ１５０は下部の半導体層またはチップ１６０の上に配置され、上の半導体層１５０は入口チェックバルブのためのフラップ弁および出口チェックハルブ１４０のためのバルブシートに提供するように機械的に構築され、下部の半導体層１６０は入口チェックバルブのためのバルブシートおよび出口チェックバルブの弁フラップを提供するように構築された。第１および／または第２の半導体層１５０および１６０は、シリコンまたは他の半導体物質を含むことができる。この種の層状のバルブ構造に関する詳細は、例えば、米国特許６，２６１，０６６Ｂ１に記載されている。他の実施例は、他の入口および出口バルブ、例えば能動的な入口または出口バルブを含むことができ、半導体物質以外の材料、例えば金属またはポリマーから成ることができる。
【００６６】
図１Ｂおよび１Ｃから分かるように、ポンプ本体１２０の第１の表面１２２は平面であり、入口および出口のチェックバルブ１３０、１４０の上側表面、または、換言すれば、ポンプ膜１１０に面している上側層１５０の上側表面１５２も平面であり、図１Ｂの垂直配向に関して第１の表面１２２と同じ高さレベルの状態にある。（表面１５２、１２２によって定義される）この共通面の下で、入口チェックバルブ１３０は空洞１３２、例えば上下の層１５０、１６０の範囲内の空洞を含み、出口チェックバルブ１４０は、例えば上側層１５０の範囲内に空洞１４２を含み、それらは「バルブ坑」１３２および１４２とも呼ばれる。
【００６７】
図１Ｂおよび１Ｃには、挿入された二重バルブ構造１７０を有するポンプ本体１２０を示しているが、マイクロ・ポンプの他の実施例は、ポンプの範囲内で直接構築されるバルブ構造１３０および１４０を含み、または、換言すれば、ポンプ本体１２０の材料に直接構築されたバルブ構造１３０および１４０を含む。
【００６８】
他の実施例において、バルブ構造１７０の上側表面１５２は、すでにポンプ本体１２０を形成している（例えば図４Ａ−４Ｆおよび５Ａ−５Ｂを参照）。
【００６９】
以下において、ポンプ本体１２０の表面１２２および入口および出口チェックバルブ１３０および１４０の上側表面１５２は、一緒に、ポンプ本体の第１の表面、または、ポンプチャンバ床とも呼ばれる。このように、図１Ｂおよび１Ｃによるマイクロ・ポンプ１００は、基本的に平面の第１の表面１２２または基本的に平面のポンプチャンバ床、すなわちバルブ坑の空洞１３２および１４２以外の平面である第１の表面を含む。
【００７０】
この前後関係の範囲内で、ポンプチャンバ１０２の最大容量Ｖｍａｘは、（予め膨らんだ状態における）図１Ｂに示すように、ポンプ本体１２０とポンプ膜１１０との間の容量およびバルブ坑１３２および１４２の容積を含むことに言及されるべきである。図１Ｃからさらにわかるように、ポンプ膜１１０が第２のより膨らみの少ない位置の中で平面形状をとり、ポンプ本体１２０の第１の表面１２２に当接する実施例において、最低限の容積または死容積Ｖ0はバルブ坑１３２および１４２の容積によって基本的に定義される。これらの２つの容積の差は、行程容積ΔＶ、すなわちΔＶ＝Ｖｍａｘ−Ｖ0とも呼ばれる。圧縮比ｃはｃ＝ΔＶ／Ｖ0として定義されるので、図１Ｂ〜１Ｃによるマイクロ・ポンプの実施例は高い圧縮比を提供する。
【００７１】
図１Ｂから更に見られるように、引用符号Ｈは、非作動状態のポンプチャンバの高さ、すなわちポンプ本体の表面１２２およびポンプ膜の中央部１０４におけるポンプ膜の下面１１４の間の垂直距離を示す。ポンプチャンバまたはマイクロ・ポンプの直径Ｄはマイクロ・ポンプの横方向の対向する位置の間の距離によって定義され、そこで、非作動の予め膨らんだ状態において、ポンプ膜１１０は、一般的に、ポンプ膜１１０がポンプ本体１２０にその外周で接続される位置と一致するポンプ本体に接触する。
【００７２】
ポンプチャンバ１０２は、ポンプ膜１１０の外周部におけるポンプ膜１１０とポンプ本体１２０との間の接続によって、（入口チェックバルブ１３０および出口チェックバルブ１４０を除いて）周囲から完全に密封されている。ポンプ膜１１０の外周部は、角のある形状、任意の点対称の幾何学的形状または他のいかなる形状も有することができる。角のあるおよび点対称の外周部は、それらが動作中の歪曲を回避するため、改良されたポンプ特性を提供する。
【００７３】
図１Ｄは、第２の平面状態から第１の予め膨らんだ状態へ移動するとき（矢印Ａを参照）の初期の中間状態１１０´におけるポンプ膜１１０の断面図解図を示す。駆動手段がもう作動しないときに、ポンプ膜１１０は予め膨らんだ状態を再びとり始める。ポンプ膜１１０の上方への動きは、例えば、図１Ｄに示されるように、ポンプ膜の中央部１０４において小さい膨らみを形成するところから始まり、それが高さを増加させ（矢印Ａ参照）、横方向に広がり（矢印Ｂ参照）、最終的に、図１Ｂに示すように、完全に予め膨らんだ位置に至る。マイクロ・ポンプの典型的課題は、一旦それがポンプ本体１２０に当接すると、ポンプ膜１１０がポンプ本体１２０に貼り付く傾向があるということである。ポンプ膜１１０に対向して下方に存在する入口チェックバルブ１３０および出口チェックバルブ１４０の配置は、これらのバルブによって形成されるポンプ坑により、この付着効果を低減する。更なる実施例は、膜の中央部およびポンプ本体１２０の対応する中央部から延びる中心領域１２６に配置される入口バルブ１３０および出口チェックバルブ１４０を含む。図１Ｄから分かるように、対応するバルブ坑を含む入口チェックバルブおよび出口チェックバルブのこのような中心配置は、図１Ｄに示すように、最初の膨らんだ形状１１０´をより簡単につくり、更に粘着効果を低減する。中心領域１２６の直径は、ポンプチャンバ１０２の直径Ｄの７０％未満、直径Ｄの５０％未満または３０％未満の範囲にすることができる。
【００７４】
例えば図１Ｂに示すような第１の予め膨らんだ位置および図１Ｃに示すような平面状の第２の位置の間でポンプ膜１１０を動かすマイクロ・ポンプの実施例のために、ポンプチャンバ１０２の高さＨは、ストローク距離またはストローク高さを表す。
【００７５】
ポンプチャンバ容量Ｖｍａｘおよび行程容積ΔＶは、ポンプチャンバの直径Ｄおよび／またはストローク高さＨを増加させることによって増加させることができる。後述するように、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例は、大きい直径Ｄ、高いストローク高さＨ、およびストローク高さＨとポンプチャンバの直径Ｄの間の高い比率を有するマイクロ・ポンプの製造を可能にする。
【００７６】
一般的に、マイクロ・ポンプの、または、屈曲トランスデューサの実施例およびマイクロ・ポンプの製造方法は、例えば、動作信号または活性化信号とも呼ばれる特定の駆動信号または製造信号がそれに対して適用されるときに、横に縮むように構成されたモノモルフ圧電素子、多層圧電素子または圧電スタック素子または他の任意の駆動手段などのような一つ以上の圧電駆動手段を含む。これらの駆動信号は、駆動手段を駆動するのに適している（例えば圧電性駆動手段のための）駆動電圧、駆動電流または他の任意の物理的手段でありえる。同じことは、製造信号にあてはまる。
【００７７】
図２Ａおよび図２Ｂは、ポンプ膜１１０の上面１１２に接続された圧電駆動素子２１０を含むマイクロ・ポンプ２００の実施例の断面図解図を示す。図２Ａは、図１Ｂに類似していて、第１の予め膨らんだ位置におけるポンプ膜１１０を有するマイクロ・ポンプを示し、図２Ｂは、第２の膨らみが少ない位置、この場合においては平面位置にあるマイクロ・ポンプを示す。圧電駆動素子２１０は、圧電駆動素子２１０の第１の表面２１２（上側または上部の表面）上の上部電極および圧電駆動素子２１０の第２の表面（下側または底部の表面）上の下部電極を含み、第２の表面２１４は、圧電駆動素子２１０の対向する主表面（電極は図示せず）に配置される。圧電駆動素子２１０の上側電極は、第１の接点２１６に電気的に接続され、圧電駆動素子２１０の下側電極は、例えば少なくともポンプ膜の表面１１２の一部に配置される導電塗装膜を介して、マイクロ・ポンプの第２の接点２１８に電気的に接続される。圧電駆動素子２１０は、例えば、接着剤または他の接着技術を介してポンプ膜１１０に接着される。正の電圧が上側電極２１６と下側電極２１８との間、それぞれ第１の接点２１６および第２が２１８の間に印加されたときに、圧電駆動素子が横方向に縮小して、予め膨らんだポンプ膜１１０がポンプ本体１２０側に下がるように、圧電駆動素子は分極される。図２Ａにおいては、無電圧（Ｕ＝０）が、電気接点２１６、２１８に印加されている。換言すれば、圧電駆動素子は活性化されておらず、予め膨らんだポンプ膜１１０はその予め膨らんだ位置を示している。図２Ｂにおいては、正の電圧、例えばＵ＝ＵMAXが印加されて、ポンプ膜１１０が平面ポンプ本体１２０に向かって下がるように曲がり、それに当接している。
【００７８】
マイクロ・ポンプの好ましい実施例は、ポンプ膜または駆動膜が基本的に平らなポンプチャンバ床、または上方向においてポンプ膜の予め膨らんだ高さＨより小さい低い部分を有するポンプチャンバ床に密着するという考えに基づき、ポンプ膜は上方に予め膨らみ、バルブユニット１７０、例えばバルブ構造１３０、１４０はポンプチャンバ床の中に形成される。ポンプ膜がポンプチャンバ床に密着する（図１Ｃおよび２Ｂを参照）ように、変形されたか予め変形された（すなわち予め膨らんだ）膜はポンプチャンバ床の向きに変形されるかまたは移動することができる。死容積Ｖｏは、このようにバルブ坑１３２、１４２の残留する死容積によって、基本的に定義されるだけである。
【００７９】
図２Ａおよび２Ｂに基づいて述べられるように、第１の予め膨らんだ位置から第２の平面位置へのポンプ膜１１０の動きは、正の電圧が印加されるときに横向きに収縮し、電圧が印加されていないときに横向きに緩和し、負の電圧が印加されるときに緩和した状態の横向きの長さまたは寸法を超えて伸びるさまざまな方法、例えば、ポンプ膜の上に接着された圧電セラミック２１０または例えば圧電性スタック・アクチュエータなどの他のピエゾ駆動を介して成し遂げられることができる。
【００８０】
更なる実施例において、下方に変形するポンプ膜上への力の放出は、ポンプ膜に永久に結合される圧電スタック・アクチュエータを介して適用される。
【００８１】
たとえば、米国特許第６，２６１，０６６Ｂ１に関するシリコン超小型弁のバルブ坑は、例えば、約３６０ナノリットル（０．３６マイクロリットル）の残留する死容積を有する。３０ｍｍの直径Ｄを有する、米国特許第６，２６１，０６６Ｂ１に関するマイクロ・ポンプのポンプ膜の膨らんだ形状と類似の予め膨らんだ形状を有するポンプ膜は、約２２マイクロリットルの行程容積を生成することができる。したがって、圧縮比ｃは、２２／０．３６＝６１である。この圧縮比は、０．１〜１．０の範囲内にある周知のマイクロ・ポンプの圧縮比より数倍高い。最適化を通して、上述したシリコン・マイクロ・ポンプのバルブがそれらの死容積に関して更に最適化されることができるので、圧縮比は更に増加させることができる。このように、例えば、約５０ナノリットルの残留する死容積を有するシリコンバルブを製造することは可能である。ポンプチャンバを増加させることによって、例えば、行程容積は、５０マイクロリットルに増やすことができる。このように、５０マイクロリットル／５０ナノリットル＝１０００の圧縮比が達成されることができる。対応して強く必要な大きさにされたピエゾ駆動と組み合わせて、真空状態に近い高い陰圧をつくるか、数百バールの非常に大きい陽圧をつくるかのいずれかが可能なマイクロ・ポンプを得ることができる。
【００８２】
以下に、発明のマイクロ・ポンプ製造実施例の方法の実施例が説明される。
【００８３】
図１Ａに従って方法と結び付けられるマイクロ・ポンプの製造方法の実施例が、図３Ａおよび３Ｂに基づいて説明される。実施例によれば、例えば圧電駆動手段などの駆動手段はポンプ膜の上に接合され、ポンプ膜は圧電駆動手段およびポンプ膜の異なる温度膨張係数のため予め膨らんでいる。ポンプ膜１１０は、例えば、入口チェックバルブ１３０および出口チェックバルブ１４０を含むポンプ本体１２０上にすでに接合されている。ポンプチャンバ床は、例えば図３Ａに示すように、平面にすることができ、または、図３Ａに示すように、少なくとも基本的に平面にすることができ、ポンプ膜はポンプ本体に平面状に接合されることができる。ポンプ本体およびポンプ膜を含む上述のような構造に加えて、例えば圧電駆動手段などのような駆動手段が提供され、圧電駆動手段２１０およびポンプ膜１１０の間に設けられた接着剤３２０の層を有するポンプ膜１１０の上に配置される。接着剤３２０は、例えば、圧電駆動手段の下面上、または、ポンプ膜の上面上に置くことができる。圧電駆動手段は、例えば、接着剤を等しく分布させて薄い接着剤層３２０を達成するために、シリコン・スタンプを用いて、所定の製造圧力でポンプ膜上に押圧される。接着剤は、製造または接合温度Ｔproductionで硬化される。
【００８４】
圧電駆動手段２１０がポンプ膜１１０の上に載置される前に、または、圧電駆動手段が（接着剤を含めて）ポンプ膜１１０の上に配置された後に、ポンプ本体１２０、ポンプ膜１１０および圧電駆動手段２１０の加熱を開始することができるが、接着剤の硬化は製造温度Ｔproductionで実行される。
【００８５】
ポンプの接着剤の硬化の後、（ポンプ本体、ポンプ膜および圧電駆動手段を含む）デバイスはクールダウンされる。圧電駆動素子（すなわち、圧電駆動素子が含んでいるかまたはそれから成る材料）、例えば圧電セラミックの温度膨張係数αpiezoがポンプ膜（すなわち、ポンプ膜が含んでいるかまたはそれから成る材料）の温度膨張係数αmembraneより小さいので、ポンプ膜の収縮はポンプ膜の上に接着された圧電駆動手段の収縮より大きく、それ故に、ポンプ膜および圧電駆動手段を含む駆動装置は（圧電駆動手段が作動しないときに）上方に膨らむ。
【００８６】
マイクロ・ポンプを生産する方法の実施例によるマイクロ・ポンプは、ポンプ膜材料として、例えば２０℃において１０〜２５×１０-6／Ｋの範囲の温度膨張係数を有する金属または金属合金、例えば２０℃において１０〜２５０×１０-6／Ｋの範囲の温度膨張係数を有する合成材料および／またはポリマー、および、例えば２０℃において２〜７×１０-6／Ｋの範囲の温度膨張係数を有する圧電セラミックなどの圧電駆動手段を有するポンプ膜を含むことができる。
【００８７】
ポンプ膜の温度膨張係数は、駆動手段の温度膨張係数より５倍以上または１０倍以上高くすることができる。前述のポンプ膜の温度膨張係数および駆動手段の温度膨張係数の間の比率が高いほど、ポンプ膜１１０が予め膨らむ程度が大きくなり、したがって、高さＨ、ストローク高さＨ、行程容積ΔＶが大きくなり、最終的に、圧縮率が高くなる。
【００８８】
膜１１０に対する圧電性セラミック２１０の接合および製造温度における接着剤の硬化は、（上述したように）ポンプ膜がポンプ本体に接合されたあと、または、ポンプ本体に対する膜の接合が実行される前に実行されることができる。
【００８９】
図３Ａは、ポンプ膜１１０の上面への圧電セラミック２１０の接合、シリコーン・スタンプ３１０を介した図３Ａにおける製造圧力（矢印３１２を参照）の適用、および製造温度Ｔproductionにおける接着剤３２０の硬化を示す。図３Ｂは、ポンプがクールダウンされた後、異なる温度膨張係数のため予め膨らんだ形状の予め膨らんだ膜１１０を示す（接着剤は図３Ｂに図示せず）。
【００９０】
図１Ａに示すマイクロ・ポンプの製造方法の実施例は、図４Ａ〜４Ｆに基づいて説明される。図４Ａ〜４Ｆは、予め膨らんだポンプ膜を有するマイクロ・ポンプの製造の断面図解図を示し、例えば図１Ｂを用いた文脈において示されるように、２層弁構造１７０はポンプ本体１２０を形成し、ポンプ膜は構造化されたおよび薄い第３の層４１０として設けられている。
【００９１】
図４Ａから分かるように、第３の層４１０は、柔軟なポンプ膜１１０を提供するために、その上側または第１の表面４１２の中心領域において薄くなる。さらに、図４Ａから分かるように、第３の層４１０は、例えば中心領域の直径Ｄより大きい直径を有する更なる中心部分または領域において、第１の表面４１２に対向するように配置された下側のまたは第２の表面４１４上でわずかに薄くなっている。ポンプチャンバ１０２がポンプ本体およびポンプ膜の間に規定されるように、ポンプ膜１１０、第３の層４１０およびポンプ本体１７０はそれぞれ互いに接続されている。
【００９２】
更なる実施例において、第３の層は、平らな第２のまたは下側の表面４１４を含み（すなわち、ポンプチャンバの中心領域においてキャビティがない、または、換言すれば、第３の層の下面の周囲におけるスペーサ構造またはポンプ本体の上面における同等なスペース構造がない）、その結果、予め膨らんだ構造が実行される前に、ポンプ膜１１０はポンプ本体の中心部分において上側表面またはポンプチャンバ床に当接する。このような実施例の残りの死容積は、バルブ坑１３２および１４２によって基本的に定義されるだけである。
【００９３】
このような積層ポンプ構造の製造は、例えば米国特許明細書ＵＳ６，２６１，０６６に記載されている。３つの層１５０、１６０および４１０は、例えば、半導体物質、例えばシリコンまたはその他の材料から成る。
【００９４】
換言すれば、図４Ａには、予め膨らんだ構造の前の、そして、膜に圧電性セラミックを接着する前のマイクロ・ポンプが示されている。
【００９５】
図４Ｂにおいて、その下面に接着剤３２０の層を有する圧電セラミック２１０は、膜１１０の上面４１２上に配置される。
【００９６】
図４Ｃは、圧電セラミックおよびポンプ膜の間の膜１１０および接着剤３２０の層に配置される圧電性セラミック２１０を有するマイクロ・ポンプ構造を示す。
【００９７】
図４Ｄにおいて、例えば、圧電セラミック２１０は、シリコーン・スタンプ３１０を使用して、ポンプ膜１１０上に所定の製造圧力で押圧される。製造圧力は、接着剤３２０が好ましくは基本的に均等に圧電性セラミックおよびポンプ膜の接合表面に分布させるものであって、膜の上面の導電層および圧電性セラミックの下部電極との間にピーク接点をつくって、両方を電気的に接続するのに十分小さい接着剤層厚さを提供する。ピーク接点を得るために、圧電性駆動手段をポンプ膜に結合するために絶縁性あるいは非導電性接着剤を使用することができるが、まだ電気的に圧電駆動手段の下側電極を接続している。図４Ｃおよび４Ｄによって表されるステップにおいて、接着剤はまだ硬化されていないことを示しておくべきである。
【００９８】
図４Ｅにおいて、圧電駆動手段が収縮するように、製造電圧Ｕproductionが圧電駆動手段２１０（例えば圧電セラミックまたは圧電スタック・アクチュエータ）に適用される。圧電駆動手段の収縮の後、製造電圧Ｕproductionを適用して、更にシリコン・スタンプ３１０を介して製造圧力を維持したまま、接着剤は硬化される。
【００９９】
接着剤が硬化した後、製造電圧および圧力は開放される。
【０１００】
換言すれば、圧電セラミックはポンプ膜上に接着され、接着剤の硬化の間、正の製造電圧Ｕproductionが圧電駆動素子に適用される。したがって、圧電駆動手段セラミックは収縮し、収縮した状態で膜に接着される。接着剤が硬化した後、製造電圧は開放されるだけである。
【０１０１】
電圧が開放されたあと、圧電セラミックは再度緩和されるか伸ばされ、図４Ｆに示すように（接着剤は図４Ｆに図示せず）、駆動装置（すなわち、ポンプ膜および圧電セラミック）を予め膨らませる。
【０１０２】
このように、図４Ａのポンプ構造は、プレストレスを与えられたか予め膨らんだ膜またはダイアフラムを含むように変形された。ポンプチャンバ容積および死容積に応じて、説明されたように、このような実施例は高い圧縮比を達成することができる。
【０１０３】
マイクロ・ポンプの製造方法の実施例がポンプ本体１７０にすでに接着された膜４１０に関して記載されたが、別の実施例において、ポンプ膜または第３の層がポンプ本体に接合される前に、予め与えられる膨らみ（すなわち、圧電セラミックの位置決めおよび製造電圧の下での接着剤の硬化）が実行されることもできる。
【０１０４】
図５Ａは、図４Ａ〜４Ｆによる方法によって作製されるマイクロ・ポンプの断面図解図を示す。図５Ａは、非作動状態（Ｕ＝０Ｖ）で予め膨らんだ膜１１０を有するマイクロ・ポンプを示す。図５Ｂは、作動した状態における図５Ａのマイクロ・ポンプを示し、ポンプ膜１１０は基本的に平らな形状を有する。ポンプ膜１１０は、逆圧または背圧が適用されない場合においては、製造電圧Ｕproduction、例えば３００Ｖに等しい動作電圧Ｕを適用することによって、第２の平面位置へ移動する。逆圧が適用される場合、出力チェックバルブ１４０が開いて、ポンプチャンバ内の流体がマイクロ・ポンプからポンプで送り出されることができる必要な閾値圧力差を克服するためにポンプチャンバの中で充分な圧力をつくるために、駆動または動作電圧Ｕは製造電圧Ｕproductionより高い電圧値に増やされることができる。
【０１０５】
前述したように、図４Ａ〜４Ｆに基づいて説明された方法は、図３Ａおよび３Ｂに基づいて説明された方法と組み合わせることができ、マイクロ・ポンプの更なる製造方法を提供し、ポンプ膜の予め与えられた膨らみを達成することもできる。
【０１０６】
上述した実施例において、異なる熱膨張係数のためおよび／または製造電圧が開放されたあとの圧電駆動手段の復元のため、ポンプ膜は駆動手段によって予め伸ばされる。このように、駆動手段が作動して、ポンプ膜を下に曲げ、例えばポンプ膜が第２の平面位置にあるときに、伸びによるポンプ膜の応力は部分的に、または、完全に開放される。
【０１０７】
例えば、圧電駆動手段、例えば圧電セラミック、すなわち圧電積層体を用いたマイクロ・ポンプの実施例は、静電的または電磁駆動手段と比べて、比較的低い電圧で、大きいストローク力およびストローク長さまたは高さを提供する。
【０１０８】
ポンプ膜がポンプ本体に当接するときに、ポンプ本体へのポンプ膜の付着効果を減らすかまたは付着を回避するために、例えば、流入チェックバルブまたはそれぞれのバルブ坑から放射状に伸びるように星状に配置された窪みが配置されることができ、または、ポンプチャンバ床またはポンプ膜からポンプチャンバに伸びる小さいハブまたは突起は実施されることができる。
【０１０９】
半導体物質、例えばシリコンでできている流入チェックバルブおよび流出チェックバルブ１３０および１４０を含む主にマイクロ・ポンプの実施例が記載されているが、マイクロ・ポンプの他の実施例は、異なる材質、例えばそれらが組み込まれるポンプ本体から独立している金属またはポリマーから成る類似または異なる受動的な流入および流出チェックバルブを含むことができる。
【０１１０】
さらにまた、ポンプ本体に一体化または配置された流入チェックバルブおよび流出チェックバルブ１３０および１４０を含むマイクロ・ポンプの実施例が示されているが、別の実施例は、例えばポンプ膜とポンプ本体との間に横方向に配置されるバルブを含んでいてもよい。
【０１１１】
マイクロ・ポンプの更なる実施例は、例えば、図４Ａ〜５Ｂに基づいて記載されているように、流入および流出チェックバルブが一体的に形成されているポンプ本体を含むことができる。
【０１１２】
他の実施例は、鋼、ステンレス鋼またはばねステンレス鋼、合成材料またはポリマーなどのような材料を有する一体的に形成されたバルブ入口およびバルブ出口構造１３０および１４０を有するポンプ本体を含み、これらのポンプ本体は、バルブ構造を形成するために、一つまたは複数の層を含む。したがって、マイクロ・ポンプの更なる実施例は、金属、合成材料、ポリマーまたはその積層構造でできているポンプ本体およびポンプ膜を含む。シリコンのポンプ本体およびポンプ膜と比較して、金属またはポリマーでできているポンプ本体およびポンプ膜は、製造においてよりコストが低く、より高い柔軟性を提供して、例えば、低いヤング率を提供する。
【０１１３】
本発明の他の実施例は、マイクロ・ポンプに駆動膜を提供し、駆動膜は、上方へ予め膨らんだまたは予め変形した位置および基本的に平らな位置との間で移動し、ポンプ本体のポンプ膜に向かって面するように配置された面の一様でない部分は、膜のストローク高さＨより小さい。
【０１１４】
このようなマイクロ・ポンプは、上方に向かって予め膨らんだ駆動膜を含む。このような実施例は、駆動膜上に接合された圧電セラミックを含むことができる。
【０１１５】
マイクロ・ポンプのこのような実施例は、圧電積層アクチュエータによって２つの位置の間で移動する膜を含むことができ、膜は、圧電積層アクチュエータに永久に接合される。
【０１１６】
以下に、ポンプ膜の形状のいくつかのシミュレーションの結果が、本発明の実施例の更なる態様および／または効果を説明するために議論される。
【０１１７】
ポンプ膜の屈曲形状は、有限要素解析を用いて、シリコン圧電ポンプ（シリコンおよび駆動手段としての圧電駆動手段を含む、または、からなるポンプ膜を有するマイクロ・ポンプ）のために計算された。マイクロ・ポンプの形状のために、辺長６．３ｍｍおよびポンプ膜自体の厚さまたは高さ５０ｍｍを有する二次シリコン・ポンプ膜、厚さまたは高さ１５０ｍｍを有する圧電駆動手段のパラメータが用いられ、圧電駆動手段の辺長の比率は、ポンプ膜の辺長に対して０．８である。屈曲形状は、膜の中心を通る軸に平行してその中心からポンプ膜の縁部まで示される。
【０１１８】
ポンプ膜の屈曲形状は、有限要素解析を用いて、シリコン圧電ポンプ（シリコンおよび駆動手段としての圧電駆動手段を含む、または、からなるポンプ膜を有するマイクロ・ポンプ）のために計算された。マイクロ・ポンプの形状のために、辺長６．３ｍｍおよびポンプ膜自体の厚さまたは高さ５０ｍｍを有する二次シリコン・ポンプ膜、厚さまたは高さ１５０ｍｍを有する圧電駆動手段のパラメータが用いられ、圧電駆動手段の辺長の比率は、ポンプ膜の辺長に対して０．８である。屈曲形状は、膜の中心を通る軸に平行してその中心からポンプ膜の境界まで示される。
【０１１９】
異なる特性屈曲形状は、屈曲形状の形成が（１ａ）使用される材料の異なる温度膨張係数によって生じる熱力学的な緊張だけ、（１ｂ）圧電駆動手段に電界を適用することによる屈曲アクチュエータ効果だけ、（２）圧力（ポンプ膜の上側および下側の間の異なる圧力）の適用の効果だけ、（３）固有の緊張を有する構造酸化被膜による屈曲アクチュエータ効果だけ（構造：同じ位置における圧電駆動手段の代わりに酸化被膜）の場合に起因するケースに対して決定される。
【０１２０】
ケース（１ａ）および（１ｂ）は、それらの形状を屈曲させている効果および特性に関して同一で、ケース「Ｕ／Ｔ」として要約される。ケース（２）は「Ｐ」と呼ばれ、ケース（３）は「Ｏｘ」と呼ばれる。図６において、これらの３つの上述した「純粋なケース」の屈曲形状は、正規化方法、すなわち対応するケースに対する最大屈曲値ｚｏを拡大した高さｚおよびシリコン膜の長さｘｏを拡大した横方向の位置ｘで示される。図６の線図の下部において、（中心から縁部まで）長さｘｏを有するポンプ膜１２０が示され、中心からポンプ膜の長さの０．８の部分までの圧電駆動手段の長さが示される（辺長の比率０．８）。図６において、参照符号６１０はケースＵ／Ｔについて示し、参照符号６２０はケースＰについて示し、参照符号６３０はケースＯｘについて示している。図６は、異なる屈曲効果またはケースのためのポンプ膜の半分（中心から縁部まで）のための正規化屈曲形状を示す。
【０１２１】
第一次近似において、屈曲（屈曲形状）に関する温度、圧力および酸化物張力の、そして、排水容積のすべてのこれらの効果は、線形に拡大可能であり、線形に重畳されることができる。
【０１２２】
以下に、ポンプ膜の屈曲および排水容積または行程容積が、それらの絶対値に関して述べられる。シミュレーションのためのパラメータは、シリコン膜に対して、側面積または表面６３００×６３００ｍｍ2、厚さ５０ｍｍ、ヤング率１６６ＧＰａ（ポアソン値０．３）であり、圧電駆動手段に対して、圧電駆動手段の横方向の幅および長さは、シリコン膜の横方向の幅および長さの０．８倍、厚さ１５０ｍｍ、ヤング率９０ＧＰａ（ポアソン値０．３）である。温度膨張係数αは、シリコンに対して、０．３×１０-6／Ｋであり、圧電ドライブに対して、５×１０-6／Ｋ（２．７×１０-6／Ｋの差）である。圧電ドライブのｄ３１係数は、３３０×１０-12ｍ／Ｖである。
【０１２３】
図７Ａは、従来技術におけるポンプ膜の中心部（線図の左辺）から縁部（線図の右辺）までの屈曲形状を、ポンプ膜の半分長または幅ｘ0に正規化される横方向寸法ｘおよびマイクロメートルにおいて絶対値として示される縦方向寸法ｚを有する線図で示す。図７Ａは、圧電駆動手段が製造電圧を印加することなく（Ｕproduction＝０）、８０℃で取り付けられたかまたは組み立てられた場合において、圧力なし（Ｐ＝０）で、−５０Ｖ（引用符号７１２）、０Ｖ（参照符号７１４）および１５０Ｖ（引用符号７１６）の場合の２０℃における屈曲形状を示す。図の中で、「有する（ｗｉｔｈ）」に省略形「w」を使用し、「有しない（ｗｉｔｈｏｕｔ）」に省略形「ｗｏ」を使用した。
【０１２４】
図７Ａから分かるように、ポンプ膜に対する圧電駆動手段の接合が８０℃で接着剤を硬化することによって実行される場合、室温（２０℃）における測定は、すでに−６０℃の温度差となり、ポンプ膜は下方に５μｍ屈曲する。換言すれば、シリコン・ポンプ膜の温度膨張係数が圧電駆動手段の温度膨張係数より小さいという事実により、ポンプ膜および圧電駆動手段が例えば室温にクールダウンされるときに、増加した製造温度Ｔproductionでのポンプ膜への圧電駆動手段の屈曲は、下方（負のｚ値）へポンプ膜が予め膨らむ原因となる。下方へのポンプ膜に予め与えられる膨らみは、例えば平面ポンプチャンバ床を使用することができず、死容積を増加させおよび／またはポンプチャンバ床をポンプ膜の曲げ線に適応させる必要があり、前述したように複雑で高コストとなるために不利である。さらに、シリコン膜が圧電駆動手段より小さい温度膨張係数を有し、圧電駆動手段をポンプ膜に接着するために用いられる接着剤は通常の環境温度または動作温度より高い温度で硬化されるため、下方へ予め与えられる所定の膨らみは、シリコン膜の場合にはほとんど避けることができない。
【０１２５】
前述したように、ポンプ膜の温度膨張係数が圧電駆動手段の温度膨張係数より高い場合、ポンプ膜および圧電駆動手段が例えば室温に冷却された後に、ポンプ膜は反対側、すなわち上方に予め膨らみが与えられる。このように、正であるか上方に予め膨らんだポンプ膜が、付加的な処理ステップ、例えば付加的な酸化被膜の形成を必要とせずに、容易に作製されることができる。
【０１２６】
屈曲形状７１４は、駆動手段が作動せず、他のいかなる外部圧力または影響もポンプ膜に与えられないときに、ポンプ膜が取る屈曲形状と考えることができる。図７Ａから分かるように、高さｚ（またはＨ）は、ポンプ膜の中央において約−５．３５μｍである。−５０Ｖの負の駆動電圧が印加される（参照符号７１２を参照）場合、圧電駆動手段が拡張するため、ポンプ膜は上方へ変形し、＋１５０Ｖの正の電圧が駆動電圧として印加される場合、ポンプ膜は圧電駆動手段の収縮により、更に下方に屈曲する（参照符号７１６を参照）。
【０１２７】
圧電駆動手段をポンプ膜に接合する間圧電駆動手段に電圧、例えば製造電圧Ｕproductionを与えることにより、図７Ａに示す効果（ポンプ膜の下方への屈曲）が是正され、接合の間与えられる製造電圧に従って部分的に補償され、完全に補償され、または過補償される。例えば、ポンプ膜に対する圧電駆動手段の接合が８０℃で実行され、マイクロ・ポンプが後に２０℃で動作されるかまたは用いられる場合のような６０℃の温度差を補償するために、６０℃の温度差によって生じる負の予め与えられた屈曲を補償するために、すなわち、駆動手段が作動していないときに平面形状を得るために、７３．６Ｖの製造電圧が必要とされる。屈曲形状が同一である（すなわち、規格化された同一）ため、外部圧力および電圧が与えられないとき、ストロークおよび容積は同時に補償され、ポンブ膜が平らな形状をとる。
【０１２８】
図７Ｂは、８０℃および７３．６Ｖの製造電圧（図７Ａと類似の説明）における圧電接合に対するポンプ膜の中心部から縁部までの半分の屈曲形状の線図を示す。参照符号７２２は、２０℃で、駆動電圧−５０Ｖで、外部圧力Ｐのないときのポンプ膜の屈曲形状を示す。参照符号７２４は、２０℃で、０Ｖ（駆動電圧なし）で、外部圧力がないときのポンプ膜の屈曲形状を示し、参照符号７２６は、２０℃で、駆動電圧１５０Ｖで、外部圧力１ｂａｒのときのポンプ膜の屈曲形状を示す。図７Ｂから分かるように、８０℃で圧電駆動手段を接着し、接着の間、７３．６Ｖの製造電圧を印加することにより、−６０℃の温度差によって生じる負であるか下方へ予め与えられる屈曲および製造電圧を開放することによる正であるか上方へ予め与えられる屈曲は互いに補償し、その結果、圧電駆動手段が作動しないときにポンプ膜が単純な形状（参照符号７２４を参照）をとる。すでに図７Ａに基づいて説明されているように、圧電駆動手段に対する負の電圧の適用は、ポンプ膜を上方に偏らせ（参照符号７２２を参照）るが、正の電圧の適用はポンプ膜を下方に膨らませる（参照符号７２６を参照）。
【０１２９】
図７Ｃは、図７Ｂ（図７Ｂにおけるのと同じポンプ膜のために）の一つと類似の線図を示す。２つの上の屈曲形状は、同一である。しかしながら、参照符号７２８は、１５０Ｖの駆動電圧および１ｂａｒの外部圧力を適用することから生じている屈曲形状をいう。分かるように、１ｂａｒの反圧力Ｐがポンプ膜に適用されるにもかかわらず、１５０Ｖの駆動電圧を印加することはポンプ膜を下方に変形させる。
【０１３０】
以下に、特定の逆圧において、１５０Ｖの駆動電圧を印加したときに、ポンプ膜がポンプ本体の上面にちょうど接触するかまたは当接するように、（８０℃で）ポンプ膜に圧電駆動手段を接合する間、どの電圧が印加されるべきかが見本として計算される。圧力は、結果として生じる圧縮比から得られるものである。
【０１３１】
図７Ｄは、図７Ａないし７Ｃにおけるのと同様の表現で、ポンプ膜の屈曲形状の線図を示すが、これは、圧電駆動手段の接合が、８０℃において、１７８Ｖの製造電圧で実行されたポンプ膜に対してのものである。参照符号７３２は、２０℃、−５０Ｖで、圧力がない場合における中心部から縁部までのポンプ膜の屈曲形状を示す。参照符号７３４は、非作動状態（駆動電圧Ｕ＝０Ｖ）で、外部圧力のない（Ｐ＝０）場合のポンプ膜の屈曲形状を示す。参照符号７３６は、１５０Ｖの製造電圧が圧電駆動手段に印加され、１ｂａｒの逆圧がポンプ膜に適用されるときの同じポンプ膜（８０℃および１７８Ｖで圧電駆動手段を接着することによって予め与えられる屈曲）を示す。図７Ｄからわかるように、シリコン・ポンプ膜の温度膨張係数が圧電駆動手段の圧電材料の温度膨張係数より小さいにもかかわらず、図７Ｂおよび７Ｃの７３．６Ｖの製造電圧と比較して図７Ｄの１７８Ｖというより高い製造電圧が厚いシリコン・ポンプ膜に予め上方向に膨らみを与える効果を有し、すなわち、異なる温度係数によってポンプ膜に予め与えられる膨らみは、製造電圧を応用することによって過補償される。これらの製造パラメータについては、ほぼ７．５μｍの予め膨らんだ高さは、ポンプ膜の中央部において達成されることができる。負の駆動電圧が印加される場合（参照符号７３２を参照）、ポンプ膜は上方に偏向するが、正の駆動電圧が印加される場合、ポンプ膜はポンプ本体に向かって下方に偏向する（参照符号７３６を参照）。
【０１３２】
分かるように、１ｂａｒの逆圧が適用されるにもかかわらず、ポンプ膜はポンプチャンバ床またはポンプ本体に当接する。逆圧Ｐは、縁部においてポンプ膜のわずかな偏向を引き起こす。逆圧が適用されない場合（Ｐ＝０ｍｂａｒ）、ポンプ膜はポンプチャンバ床に完全に当接するが、その理由は、予め与えられた膨らみは圧電駆動手段の作動によって生じる変形に適応しているからである。ポンプ膜７３６の下の残留する死容積は、約１１．５ｎＬであって、上述した逆圧の場合にのみ発生する。しかしながら、これらの死容積は、約１６３ｎＬの総行程容積（ポンプ膜の形状７３２および７３６間の容積）と比較して小さい。
【０１３３】
前述のことを要約すると、予め膨らんだポンプ膜の製造方法の実施例は、ポンプ膜材料および駆動手段、例えば圧電駆動手段の多種多様な組合せを提供して、例えばマイクロ・ポンプが成し遂げなければならない所定の運転パラメータ、例えばストローク高さ、行程容積、圧縮比、逆圧などに対応する製造信号、製造電圧および／または製造温度などの製造パラメータを柔軟に調整することができる。
【０１３４】
ほとんどいかなる信号値または電圧値も製造値または製造電圧として使われることができるので、駆動手段を収縮させ、ポンプ膜に収縮した状態の駆動手段を接合するための製造信号を使用して予め膨らんだポンプ膜を製造する方法の実施例は非常に順応性のあるものである。このように、ほとんど、いかなる予め膨らんだ高さ、ストローク高さおよび行程容積も達成されることができる。
【０１３５】
ポンプ膜に駆動手段を接着するために接着剤が用いられる場合、接着剤は概して、それらが硬化されなければならない接着剤に特有の製造時の温度を有する。これらの製造時の温度は、一般的に、周囲の室温より高い。製造時の温度の高さおよび製造時の温度と動作温度との差に応じて、マイクロ・ポンプまたは一般に屈曲変換器が後に使用され、ポンプ膜の通常運転の間、ポンプ膜および駆動手段のプレストレスおよび潜在的に予め与えられる膨らみは、駆動手段およびポンプ膜が異なる温度膨張係数を有する場合に本質的に引き起こされる。適切な駆動手段およびポンプ膜材料、例えば膜のためのそれぞれの圧電セラミックおよび鋼または合成材料を選択することによって、異なる温度膨張係数によって生じるプレストレスの効果は、ポンプ膜のプレストレスおよび潜在的に予め与えられる膨らみを増加させるために用いることができる。同じ考察は、接合材料、例えばハンダ付けを使用している他の接合方法にあてはまる。
【０１３６】
両方の効果の考察は、通常下方へ予め与えられる膨らみを引き起こすが圧電駆動手段より小さい温度膨張係数を有するポンプ膜材料、例えばシリコン・ポンプ膜のような半導体ポンプ膜を使用することができる。しかしながら、さらに適当な製造信号または製造値を適用することによって、下方へ予め与えられる膨らみは、最終的に上方へ予め与えられる膨らみを達成するためにより大きく補償されえる。
【０１３７】
換言すれば、第２の熱膨張係数（第２の材料から成る駆動手段の熱膨張係数）は第１の熱膨張係数（第１の材料から成る膜の熱膨張係数）より高い特定の実施例において、製造信号は、製造信号を開放することによりもたらされるポンプ膜の第１の方向へ予め与えられる膨らみが接合された駆動手段とポンプ膜とを冷却することによりもたらされるポンプ膜の第１の方向に対向する第２の方向へ予め与えられる膨らみをより大きく補償するようなものである。
【０１３８】
したがって、予め膨らんだポンプ膜の製造方法の更なる実施例は、駆動手段が作動するときに、ポンプ膜が第２の位置を仮定する所定の逆圧値に基づいて、第１および第２の材料および／または製造信号値を例えば自動的に決定することを含む。
【０１３９】
圧電アクチュエータの上で酸化被膜を使用している予め膨らんだ方法と比較して、本発明の実施例は、より材料の少ない材料（酸化被膜がない）、より少ない製造ステップ（ポンプ膜および圧電駆動手段の間の酸化被膜の形成がない）を必要とし、達成可能な行程容積およびストローク高さに関してより順応的で、より高いストローク高さおよび行程容積を提供する。
【０１４０】
特定の実施例において、ポンプチャンバは、ポンプ膜が第１の膨らんだ位置にあるときの第１の容積と、ポンプ膜が第２の少ない膨らみの位置にあるときの第２の容積とを有し、第２の容積が第１の容積より小さく、ポンプ膜、ポンプ本体および受動的な入口および出口チェックバルブは、圧縮比が５０より大きいか１００より大きく、圧縮比がマイクロ・ポンプの行程容積と第２の容積との比によって定義され、行程容積は第１の容積と第２の容積との差によって定義されるように、ポンプ膜への駆動手段の接合が実行される。第２の容積は、例えば、受動的な入口および／または出口チェックバルブの部分におけるポンプ本体の中にあるバルブ坑の容積、および／または受動的な入口または出口チェックバルブ自体における窪み、および／またはポンプ膜が第２の位置にあるときにポンプ膜がポンプ本体の第１の表面に付着するのを避けるように構成される反付着手段によって本質的に定義される。
【０１４１】
別の実施例は、駆動手段をポンプ膜に接着するためにレーザー・ボンディングまたは他のボンディング技術を用いることができ、屈曲アクチュエータのプレストレスおよび潜在的に予め与えられる膨らみを達成するために上述のように接着の間、製造信号を適用する。
【０１４２】
更なる実施例において、駆動手段は、それがポンプ膜を第２のより少ない膨らみの位置の方へ動かす前に、（例えば、負の電圧を圧電駆動手段に印加することによって）ポンプ膜を第３のより膨らんだ位置に移動させるように構成することができる。
【０１４３】
以下に、本発明の実施例によって製造される屈曲トランスデューサから成るマイクロ・バルブの実施例が記載されている。
【０１４４】
図７Ｅ、７Ｆ、７ＦＦおよび図７Ｇは、常閉マイクロ・バルブ７００の断面図解図を示す。図７Ｅおよび図７Ｆは、非作動自己遮断状態のマイクロ・バルブを示し、動作または駆動電圧は印加されず（Ｕ＝０Ｖ）、バルブは閉じている。図７Ｅは入口ポートを有する側面図を示すが、図７Ｆは出口ポートを有する９０°回転した側面図を示す。図７ＦＦおよび７Ｇは、開口状態のマイクロ・バルブを示す。正の動作電圧または駆動電圧が印加される（Ｕ＞０Ｖ）。図７ＦＦは、図７Ｅと同じ側面、すなわち入口ポート（しかしながら、開口状態）を有する側面図を示し、図７Ｇは、図７Ｆと同じ側面図、すなわち出口ポート（しかしながら、開口状態）を有する側面図と同じ側面図を示す。マイクロ・バルブは、米国特許出願公開ＵＳ２００４／００３６０４７Ａ１および米国特許出願公開ＵＳ２００６／００２７７７２Ａ１に記載されているマイクロ・バルブと類似したデザインを有する。図７Ｅ〜７Ｇから分かるように、マイクロ・バルブ７００は第１のチップまたは動作チップ７４０、および第２のまたはフラップ・チップ７５０を含む。動作チップ７４０は、第１の主側面または表面７４４（図７Ｅ〜７Ｆに関して上面）に凹部または窪み７４２を有し、対向する主側面７４５に凹部または窪み７４３を有し、両方の凹部または窪み７４２および７４３の間に形成される膜１１０を含む。駆動手段、例えば、圧電セラミックが膜１１０の第１の表面または側面１１２に配置される。タペット７４６は、膜１１０の第２の対向する面１１４に突出している。第１のチップ７４０は、更に、タペット７４６のように、膜１１０の第２の表面１１４から突出するシール・リップ７４８を含む。第２のチップ７５０は、第２のチップに形成される流体入口７５２（図７Ｅおよび７ＦＦを参照）および流体出口または弁出口７５４（図７Ｆおよび７Ｇを参照）を含む。さらに、第２のチップ７５０は、タペット７４６を介して膜１１０に機械的に接続される柔軟シャッタまたは閉鎖エレメント７５４を含む。図７Ｆおよび７Ｇから分かるように、シャッタは、駆動手段２１０が動作したときに下方に偏向または動くことができるように膜の反対側の面に配置される凹部７５６を含む。図７Ｅから分かるように、駆動手段が作動しないとき、シール・リップ７４８は、バルブチャンバ凹部７４３とも呼ばれる凹部７４３から流動的にバルブ入口７５２を分離するかまたは封止する。駆動手段２１０が動作する場合、駆動手段２１０によって形成された屈曲トランスデューサおよび膜１１０は下に曲がり、同時にシャッタ７５４を下方に曲げて、弁入口７５２およびバルブチャンバ凹部７４３の間の流体接続を形成することによってバルブを開く（図７ＦＦを参照）。図７Ｆおよび７Ｇから分かるように、出口ポート７５４は、常にバルブチャンバ凹部７４０に流体接続した状態にある。換言すれば、駆動手段２１０を動作させることによって、バルブ入口７５２は、バルブチャンバ凹部７４３を経てバルブ出口７５４に流体的に接続している。
【０１４５】
第１のチップ７４０および第２のチップ７５０は、シリコンまたは他のいかなる材料でも形成することができる。しかしながら、第１および第２のチップ７４０、７５０がシリコンまたは他の半導体チップである場合、硬化のために特定の製造時の温度を必要とする接着剤を用いた駆動手段２１０の接着は、シャッタ７５４に向かってポンプ膜１１０に予め与えられる不必要な膨らみに至ることがあり、常閉バルブ７００の封止信頼性を低減させる。同様の考察は、２つのチップの加熱を遂行するかまたは必要とする他の接着方法にあてはまる。
【０１４６】
本発明の実施例は、製造信号、例えば圧電アクチュエータ２１０の場合には正の製造電圧を適用することによってシャッタ７５４の方向に予め与えられる膨らみ補償するか、過補償することができる。本発明の実施例にかかる駆動手段、例えば、圧電駆動手段のプレストレスは、マイクロ・バルブが安全に、または、確実に閉じるという効果を有する。すでに、駆動手段の小さいプレストレスは、確実に常閉バルブを提供するのに十分である。さらに、後方の圧力が印加された場合にバルブが閉じたままである閾値圧力は、適当な製造信号を適用することによって、容易に調整されることができる。
【０１４７】
図７Ｈは、第１のチップ７４０および第２のチップ７５０を含む常開マイクロ・バルブの実施例を示す。第１のチップ７４０は、バルブ膜１１０を形成するように、第１側面７４４に凹部７４２を含む。第２のチップ７５０の反対側における膜１１０の第１の側面１１２上において、駆動手段、例えば圧電駆動手段２１０が膜１１０に接合される。駆動手段２１０および膜１１０は、屈曲トランスデューサを形成する。第１のチップ７４０は、第１の表面または側面７４４の反対側の第２の表面または側面７４５を介して、第２のチップ７５０に接続される。第２のチップ７５０は、第２のチップの第１のチップに面した側から第２のチップの反対側まで延びるスルーホールによって形成されるバルブ入力７５２と、バルブ入力７５２と同様に第２のチップの第１のチップに面した第１の側から反対側の第２の側面または表面に向かって延びるスルーホールによって形成されるバルブ出力７５４とを含む。第２のチップ７５０の第１の側面に、バルブシートまたはバルブリップ７５９を定めるために凹部７５８が形成される。
【０１４８】
駆動手段２１０は、本発明の一実施例による膜１１０に接合されて、第２のチップから離れて面する向きに予め膨らまされる。このように、駆動手段２１０が作動しない場合、バルブ入口７５２およびバルブ出口７５４は流体接続の状態にあり、バルブは開かれる。駆動手段２１０が作動する場合、バルブを封止するかまたは閉じるためにバルブリップ７５９に接触するまで、駆動手段２１０は膜１１０を下に動かす。
【０１４９】
図７Ｉは、図７Ｈの常開マイクロ・バルブと類似の常開バルブの更なる実施例を示す。図７Ｈのマイクロ・バルブとは対照的に、図７Ｉのマイクロ・バルブは、第１のチップの第２の側面７４５に形成される更なる凹部７４３およびバルブ膜１１０の第２の側面から突出しているタペット７４６を含む。タペット７４６は、弁入口７５２およびバルブシール７５９に対向して配置される。
【０１５０】
駆動手段２１０は、本発明の一実施例にかかる膜１１０に接合され、予め膨らまされる。駆動手段２１０が作動しない場合、膜１１０の予め膨らんだ形状のためバルブ入口７５２はバルブ出口７５４と流体接続の状態にある。駆動手段２１０が作動する場合、膜は第２のチップへ移動し、タペット７４６はバルブリップ７５９に当接して、バルブを閉じる。
【０１５１】
予め膨らんだ膜を有する図７Ｈおよび７Ｉに示すマイクロ・バルブの実施例は、生産技術、更には機能的利点に関して有利である。膜がシリコンまたは他の半導体材料で形成される場合、バルブシートまたはリップと閉鎖エレメント（膜またはタペット）との間の間隔素子または構造は予知されてはならない。このように、１つのマスク、１つのリソグラフィおよび１つのエッチングステップの低減が要求され、このように、製造コストおよび複雑さは減らされる。
【０１５２】
常開バルブが閉じる場合、膜またはタペットは平らな状態にある。特に、非円形のバルブシートまたはリップの場合、または、（流れを増加させるために用いられる）蛇行形状バルブシートであっても、膜がバルブを閉じるために偏る場合に与えられる残りの隙間は回避されることができる。このように、本発明の実施例は、設計および製造が容易である優れた封止特性を有するマイクロ・バルブを提供する。
【０１５３】
前への進行状態は、特にその特定の実施例に関して図と共に記載された。形状および詳細のさまざまな他の変形がその趣旨および範囲から逸脱することなく、なされることができることは、当業者によってよく理解されている。したがって、さまざまな変形が本願明細書において開示される上位概念から逸脱することなく、異なる実施例を適応させる際になされることができて、以後の請求項によって理解されることができると理解される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７ＦＦ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図７Ｉ】
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【図８】
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